Thiết bị mới giúp khai thác năng lượng từ các chuyển động uốn cong

Sử dụng một phương pháp mới dựa trên các nguyên tắc điện hóa, các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển một thiết bị mới có thể cung cấp nguồn điện từ các cử động khi đi bộ và các chuyển động xung quanh khác.

Hình minh họa nguyên tắc hoạt động của hệ thống thu năng lượng. Hai điện cực kim loại làm bằng hợp kim lithi-silic kẹp quanh một lớp điện phân polymer có các ion (các nguyên tử mang điện tích) có thể di chuyển qua các lớp. Khi cấu hình này cong lại, ứng suất không đồng đều làm cho các ion lithi di chuyển qua chất điện phân, sản xuất ra một dòng electron bù có thể được khai thác bằng một mạch điện bên ngoài. Khi không bị uốn cong nữa, quá trình này đảo ngược.

Đối với nhiều ứng dụng như thiết bị giám sát y sinh học, cơ học, hoặc môi trường, việc khai thác năng lượng từ các chuyển động nhẹ có thể cung cấp một nguồn điện công suất thấp nhưng hầu như không giới hạn. Trong khi một số phương pháp đã được thử nghiệm, mới đây các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát triển một phương pháp hoàn toàn mới dựa trên các nguyên tắc điện hóa có thể thu năng lượng từ một loạt các chuyển động và cử động tự nhiên, bao gồm cả đi bộ.

Hầu hết các thiết bị được thiết kế trước đây để khai thác các chuyển động nhẹ nhàng đều dựa trên hiệu ứng điện ma sát (thực chất là ma sát, giống như một quả bóng cọ xát vào một chiếc áo len) hoặc áp điện (các tinh thể tạo ra một điện áp nhỏ khi bị uốn cong hoặc nén). Những thiết bị này hoạt động hiệu quả đối với các hoat động tần số cao như các chuyển động do máy móc tạo ra nhưng đối với chuyển động điển hình của con người như đi bộ hoặc tập thể dục, các hệ thống như vậy không phù hợp.

Trong các vật liệu truyền thống, khi bạn đưa vào một xung lực, chúng phản ứng rất tốt trong vài micro giây. Nhưng điều này không phù hợp với hầu hết các hoạt động của con người. Ngoài ra, các thiết bị này có trở kháng điện cao và không linh hoạt khi uốn gập và có thể khá đắt tiền.

Trong khi đó, hệ thống mới sử dụng công nghệ tương tự công nghệ chế tạo pin lithi ion, do đó, nó có thể được sản xuất quy mô lớn với chi phí thấp. Ngoài ra, các thiết bị này vốn mềm dẻo, làm cho chúng phù hợp hơn với công nghệ chế tạo thiết bị đeo trên người và ít có khả năng bị phá vỡ dưới áp lực cơ học.

Trong khi các vật liệu áp điện dựa trên một quá trình thuần túy là vật lý, hệ thống mới này dựa trên điện hóa, giống như pin nhiên liệu. Nhóm nghiên cứu sử dụng hai tấm mỏng hợp kim lithi làm điện cực, được ngăn cách bởi một lớp polymer xốp chứa chất điện phân lỏng vận chuyển hiệu quả các ion lithi giữa các tấm kim loại. Nhưng không giống như pin sạc, thu nhận điện tích, lưu trữ và sau đó giải phóng nó, hệ thống này thu nhận năng lượng cơ học và tạo ra điện.

Chỉ cần hơi uốn cong, thiết bị cũng tạo ra sự khác biệt về áp lực ép các ion lithi đi xuyên qua lớp polymer (giống như quá trình thẩm thấu ngược được sử dụng trong khử mặn nước). Nó cũng tạo ra một điện áp trung hòa và một dòng điện trong mạch điện bên ngoài giữa hai điện cực, sau đó có thể được sử dụng trực tiếp để cấp điện cho các thiết bị khác.

Do chỉ cần hơi uốn cong cũng có thể tạo ra một điện áp, thiết bị mới này có thể được gắn một vật có trọng lượng rất nhẹ vào một đầu để làm cho kim loại uốn cong theo các chuyển động bình thường khi được đeo vào tay hoặc chân trong các hoạt động hàng ngày.

Thiết bị này chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện; Do đó nó không bị giới hạn bởi định luật thứ hai của nhiệt động lực học nên về nguyên tắc hiệu suất có thể đạt 100 phần trăm. Hiện nay, thiết bị thế hệ đầu tiên này mới chỉ có thể hoạt động với hiệu suất đạt 15%. Tuy nhiên hệ thống này có thể được sản xuất một cách dễ dàng với bất kỳ kích thước mong muốn nào và bằng quy trình sản xuất công nghiệp.

Các thiết bị thử nghiệm duy trì hiệu suất qua nhiều chu kỳ uốn cong và duỗi thẳng, chỉ có một chút suy giảm hiệu suất sau 1.500 chu kỳ. “Đó là một hệ thống rất ổn định”, Li nói.

Ngoài khai thác chuyển động hàng ngày để cấp điện cho các thiết bị đeo trên người, hệ thống mới này cũng có thể hữu ích cho các ứng dụng y sinh học, hoặc được sử dụng cho các bộ cảm biến ứng suất được tích hợp trong các thiết lập như đường sá, cầu cống, bàn phím, hoặc cấu trúc khác.

Theo Vista.gov.vn